Il collegamento è il punto in cui l'ingegneria del legno diventa più impegnativa. Mentre gli elementi in legno possono coprire distanze impressionanti con elegante efficienza, i giunti tra questi elementi concentrano le forze in piccole aree di un materiale con capacità portante e di taglio limitata. Una progettazione efficace delle connessioni in legno richiede la comprensione sia del comportamento anisotropo del materiale che dei meccanismi di trasferimento del carico attraverso i dispositivi di fissaggio.
Questa guida copre l'intera gamma di tipi di connessione legno strutturale, dai semplici giunti chiodati ai sofisticati sistemi momento-resistenti, con indicazioni pratiche sulla selezione, progettazione e prestazione al fuoco.
Fondamenti del comportamento delle connessioni in legno
Meccanismi di trasferimento del carico
Tutte le connessioni in legno trasferiscono il carico attraverso uno o più di questi meccanismi:
- Cuscinetto: compressione diretta del legno contro il legno o l'acciaio
- Inserimento: un elemento di fissaggio che preme nelle fibre del legno
- Ritiro: un elemento di fissaggio viene tirato lungo il suo asse dal legno
- Adesione: legame chimico tra legno e adesivo/resina
Il modello europeo di snervamento (EYM), codificato nella norma EN 1995-1-1 (Eurocodice 5), prevede la capacità della connessione in base all'interazione tra la flessione degli elementi di fissaggio e l'ancoraggio del legno. Il modello identifica molteplici modalità di cedimento – dallo snervamento degli elementi di fissaggio alla spaccatura del legno – e assume la capacità più bassa come valore di progettazione.
Proprietà del legno che influiscono sulle connessioni
| Immobile | Effetto sulla progettazione della connessione |
|---|---|
| Densità (ρk) | Maggiore densità = maggiore resistenza all'ancoraggio |
| Direzione della grana | Capacità parallela alla fibratura 2–3× perpendicolare |
| Contenuto di umidità | Il legname bagnato ha una resistenza all'ancoraggio inferiore |
| Gruppo di specie | Determina la densità caratteristica per i calcoli |
| Spessore dell'elemento | Regola la modalità di fallimento in EYM |
Per legno da costruzione C24 con densità caratteristica ρk = 350 kg/m³, la resistenza all'ancoraggio parallelo alle fibre è approssimativamente:
fh,0,k = 0,082 × (1 − 0,01d) × ρk
Dove d è il diametro del dispositivo di fissaggio in mm. Per un tassello da 12 mm in legno C24: fh,0,k = 0,082 × (1 − 0,12) × 350 = 25,2 N/mm²
Connessioni di fissaggio a tassello
Unghia
I chiodi sono gli elementi di fissaggio per legno più semplici e comuni, utilizzati principalmente per:
- Collegamenti tra montante e piastra nelle pareti con telaio in legno
- Ganci per travetti e cinghie di ritenuta
- Attacco guaina (OSB, compensato)
- Collegamenti strutturali secondari
Capacità di progetto (taglio singolo, EN 1995-1-1):
| Diametro del chiodo | Lunghezza del chiodo | Capacità caratteristica (C24) |
|---|---|---|
| 3,1mm | 75mm | 0,62kN |
| 3,75mm | 90mm | 0,89 kN |
| 4,0mm | 100mm | 1,02 kN |
| 5,0mm | 125mm | 1,48 kN |
Regole chiave per la progettazione delle unghie:
- Penetrazione minima nell'organo ricevente: 8d (gambo liscio) o 6d (gambo anulare)
- Preforatura necessaria per densità del legno >500 kg/m³
- Schema sfalsato per evitare spaccature lungo la fibra
- Nessuna capacità di carico in estrazione per chiodi a gambo liscio
Viti
Le moderne viti autofilettanti (STS) hanno trasformato il design delle connessioni in legno. A differenza dei tradizionali tirafondi, gli STS presentano:
- Filettatura continua su tutta la lunghezza del gambo
- Punta autoperforante che elimina la preforatura
- Elevata capacità di prelievo (carico assiale)
- Possibilità di installazione ad angolo (collegamenti a vite inclinati)
Capacità STS tipiche (taglio singolo, legno C24):
| Diametro della vite | Lunghezza | Capacità di taglio | Capacità di prelievo |
|---|---|---|---|
| 6mm | 120mm | 2,8kN | 8,4kN |
| 8mm | 160mm | 4,2kN | 14,2kN |
| 10mm | 200mm | 5,8kN | 19,6kN |
| 12mm | 240mm | 7,6kN | 26,1kN |
Connessioni a vite inclinate sfruttano l'elevata capacità di estrazione di STS installando le viti a 30–45° rispetto al piano di taglio. Ciò crea un percorso di carico combinato di tensione di taglio che può raggiungere 2–3 volte la capacità delle viti caricate esclusivamente a taglio.
Bulloni
I bulloni rimangono lo standard per le connessioni in legno pesante, in particolare dove:
- È richiesta un'elevata capacità del dispositivo di fissaggio singolo
- I collegamenti devono essere smontabili
- È necessaria un'ispezione visiva del serraggio
- Travi lamellari BSH di grande sezione sono in fase di collegamento
Capacità dei bulloni (doppio taglio, acciaio-legno-acciaio, C24):
| Diametro del bullone | Spessore legname 100 mm | Spessore legname 160 mm | Spessore legname 200 mm |
|---|---|---|---|
| M12 | 12,4kN | 15,8kN | 17,2 kN |
| M16 | 16,8kN | 22,4kN | 26,1kN |
| M20 | 21,2 kN | 29,6kN | 35,8kN |
| M24 | 25,6kN | 36,2kN | 44,2kN |
Considerazioni sulla progettazione per le connessioni bullonate:
- Fori maggiorati di 1 mm (diametro bullone + 1 mm)
- Rondelle necessarie sotto la testa e il dado (diametro minimo 3d, spessore 0,3d)
- Serraggio a perfetta tenuta (non coppia di bulloni ad alta resistenza)
- Verificare le modalità di rottura del taglio del blocco e del taglio della fila
- Distanza minima dell'estremità: 7d (estremità caricata), 3d (estremità scaricata)
Tasselli
I tasselli in acciaio sono perni cilindrici lisci inseriti in fori preforati con tolleranza zero (diametro del foro = diametro del tassello). Offrono:
- Portata maggiore rispetto a bulloni di pari diametro (nessun foro maggiorato)
- Estetica più pulita (nessuna testa o dado sporgente)
- Migliori prestazioni al fuoco (nessun acciaio esposto)
- Idoneità per collegamenti nascosti
I tasselli sono l'elemento di fissaggio preferito per le strutture in legno a vista di alta qualità e sono standard nei telai a portale in legno lamellare e negli edifici in legno a più piani.
Collegamenti con piastre in acciaio
Piastre esterne in acciaio
Le piastre di acciaio esterne (esposte) sono imbullonate o avvitate alle facce esterne degli elementi in legno. Sono:
- Semplice da fabbricare e installare
- Facile da ispezionare
- Adatto per collegamenti in cantiere
- Visibile (potrebbe richiedere un trattamento architettonico)
Configurazioni tipiche:
- Piastra monofaccia (asimmetrica – introduce eccentricità)
- Piastre a doppia faccia (simmetriche - preferite per i collegamenti primari)
- Fazzoletti ai nodi della capriata
- Collegamenti a staffa per giunti trave-colonna
Piastre interne in acciaio (asolate).
Le piastre interne sono nascoste all'interno di una fessura ricavata nell'elemento in legno. La fessura viene generalmente tagliata mediante fresatrice CNC con tolleranze strette (spessore della piastra + 1 mm). I tasselli passano attraverso il legno e la piastra contemporaneamente.
Vantaggi delle connessioni con piastre asolate:
- Carpenteria metallica nascosta: estetica pulita del legno
- Protezione antincendio intrinseca: il legno ricopre l'acciaio
- Percorso di carico simmetrico: nessuna eccentricità
- Elevata capacità: tasselli multipli a doppio taglio
Parametri di progettazione per connessioni con piastre asolate:
| Parametro | Valore tipico |
|---|---|
| Spessore della piastra | 8–20 mm (acciaio S355) |
| Larghezza fessura | Spessore piastra + 1 mm |
| Diametro tassello | 12-24mm |
| Distanza tra i tasselli (parallela) | 5d minimo |
| Distanza tra i tasselli (perpendicolare) | minimo 3d |
| Distanza finale | 7d minimo |
| Distanza dal bordo | minimo 3d |
Piatti per coltelli
Le piastre dei coltelli sono sottili piastre di acciaio (tipicamente 5–6 mm) inserite in un taglio con sega nel legno. Sono utilizzati per:
- Collegamenti con tralicci leggeri
- Collegamenti di controventamento
- Allegati dei membri secondari
Il taglio con la sega viene effettuato in cantiere o in fabbrica e la piastra viene fissata con chiodi o bulloni di piccolo diametro su ciascun lato.
Connessioni del momento
Le connessioni resistenti al momento nelle costruzioni in legno sono più complesse rispetto alle costruzioni in acciaio perché la limitata resistenza all'incasso del legno implica che sono necessari un gran numero di elementi di fissaggio per sviluppare una significativa capacità di momento.
Connessioni del momento del gruppo di tasselli
Uno schema circolare o rettangolare di tasselli attraverso una piastra d'acciaio asolata può resistere al momento attraverso la coppia creata dai tasselli in tensione (estrazione o cuscinetto) e compressione (cuscinetto):
Approccio progettuale:
- Calcolare la domanda momentanea alla connessione
- Determinare il braccio di leva tra i gruppi di tasselli di tensione e di compressione
- Calcola la forza per tassello: F = M / (n × z) dove n = numero di tasselli in un gruppo, z = braccio di leva
- Verificare che ciascun tassello abbia una capacità sufficiente per la forza combinata di taglio e assiale
- Controllare il legname per il taglio dei blocchi, il taglio delle file e la spaccatura
Connessioni del momento dell'asta incollate
Le barre incollate rappresentano il metodo più efficiente per creare collegamenti momento nel legno. Un gruppo di barre filettate legate alla fibra terminale di una trave può sviluppare capacità di momento paragonabili alla resistenza alla flessione della trave.
Parametri di progettazione:
| Parametro | Gamma tipica |
|---|---|
| Diametro asta | M12 – M24 |
| Grado dell'asta | 8.8 o 10.9 |
| Lunghezza di incasso | 10gg – 20gg |
| Tipo adesivo | Epossidico strutturale (2 componenti) |
| Spessore della linea di incollaggio | 1–2mm |
| Diametro del foro | Diametro asta + 2–4 mm |
| Distanza tra le aste | ≥5d |
| Distanza dal bordo | ≥2.5d |
Capacità di barre incollate (assiali, legno C24):
| Asta | Incorporamento 10d | Incorporamento 15d | Incorporamento 20d |
|---|---|---|---|
| M12 | 28kN | 42kN | 56kN |
| M16 | 48kN | 72kN | 96kN |
| M20 | 72kN | 108kN | 144kN |
| M24 | 100kN | 150kN | 200kN |
Controllo qualità per aste incollate:
- Fori praticati dal CNC per garantire allineamento e profondità
- Aste sgrassate e pulite prima dell'incollaggio
- Adesivo iniettato dal fondo del foro per evitare sacche d'aria
- Tempo di polimerizzazione minimo 24 ore a 20°C prima del caricamento
- Test di estrazione dei campioni di produzione (minimo 3 per lotto)
Progettazione al fuoco delle connessioni
La debolezza critica
Le connessioni sono spesso il punto più debole di una struttura in legno durante un incendio. Mentre il legno si carbonizza a una velocità prevedibile (0,65 mm/min per il legno tenero), i componenti in acciaio all'interno delle connessioni perdono rapidamente resistenza:
- A 300°C: l'acciaio conserva circa il 100% della resistenza ambientale
- A 400°C: l'acciaio conserva circa il 90% della resistenza ambientale
- A 500°C: l'acciaio conserva circa il 78% della resistenza ambientale
- A 600°C: l'acciaio conserva circa il 47% della resistenza ambientale
- A 700°C: l'acciaio conserva circa il 23% della resistenza ambientale
Strategie di protezione
Strategia 1: Occultamento (preferita)
Incassare tutti i componenti in acciaio sotto la superficie del legno e tapparli con il legno:
- Copertura minima del legno: tasso di carbonizzazione × resistenza al fuoco richiesta + 7 mm (strato a resistenza zero)
- Per 60 minuti di resistenza al fuoco: 0,65 × 60 + 7 = 46 mm copertura in legno
- Per 90 minuti: 0,65 × 90 + 7 = 65,5 mm → copertura in legno 66 mm
Strategia 2: sovradimensionamento
Aumentare lo spessore della piastra in acciaio e il diametro del dispositivo di fissaggio per tenere conto della perdita di resistenza a temperature elevate. Questo approccio è meno elegante ma più semplice per le connessioni del sito.
Strategia 3: protezione intumescente
Applicare il rivestimento intumescente sulle piastre di acciaio esposte. Il rivestimento si espande quando riscaldato, formando uno strato isolante carbonizzato. Richiede:
- Spessore minimo del film secco (DFT) secondo i dati dei test antincendio del produttore
- Ispezione e manutenzione regolari
- Non adatto per luoghi nascosti
Strategia 4: rivestimento in legno
Attacca pannelli di legno sacrificali sulle connessioni in acciaio esposte. Il rivestimento si carbonizza durante il fuoco, proteggendo l'acciaio sottostante. Spessore minimo del rivestimento calcolato come per la Strategia 1.
Tabella di progettazione del collegamento antincendio
| Tipo di connessione | 30 minuti | 60 minuti | 90 minuti |
|---|---|---|---|
| Tassello a scomparsa (copertura 46 mm) | ✓ | ✓ | — |
| Tassello a scomparsa (copertura 66 mm) | ✓ | ✓ | ✓ |
| Bullone a vista + intumescente | ✓ | ✓ | Verifica |
| Bullone esposto (non protetto) | — | — | — |
| Asta incollata (copertura 46 mm) | ✓ | ✓ | — |
| Gancio per travetto inchiodato (standard) | ✓ | — | — |
Moderni sistemi di fissaggio
Sistemi di connettori proprietari
Diversi produttori offrono sistemi di connessione ingegnerizzati che semplificano la progettazione e l'installazione:
Supporti della trave nascosti: le tasche fresate tramite CNC nell'estremità della trave ricevono una scarpa in acciaio che trasferisce il carico nel cuscinetto. Nessuna lavorazione metallica visibile. Capacità tipica: 50–200 kN.
Piastre di connessione a momento: piastre in acciaio preingegnerizzate con schemi di tasselli predeterminati, fornite con tabelle di progettazione. Riduce i tempi di progettazione per le connessioni standard.
Connettori per basi di colonne: scarpe in acciaio che collegano le colonne di legno alle fondazioni in cemento mantenendo una barriera contro l'umidità. Disponibile per colonne fino a 500×500 mm.
Tecnologie di connessione innovative
Tasselli a strati incrociati: tasselli in legno duro inseriti perpendicolarmente al piano di taglio della connessione, creando una connessione interamente in legno senza acciaio. Utilizzato in progetti incentrati sulla sostenibilità.
Connessioni basate sull'attrito: i bulloni di grande diametro con pretensione controllata creano connessioni ad attrito che resistono al carico senza incasso. Ispirato alla pratica della costruzione in acciaio.
Connessioni in lega a memoria di forma (SMA): tecnologia in fase di ricerca che utilizza elementi di fissaggio in lega di nichel-titanio che possono autocentrarsi dopo il carico sismico, riportando la struttura alla sua geometria originale.
Flusso di lavoro di progettazione pratico
Passaggio 1: definire le forze di connessione
Estrarre le forze dal modello strutturale:
- Forza assiale (tensione o compressione)
- Forza di taglio (verticale e orizzontale)
- Momento (se applicabile)
- Classe di durata del carico (permanente, medio termine, breve termine, istantaneo)
Passaggio 2: seleziona il tipo di connessione
| Tipo di forza | Connessione consigliata |
|---|---|
| Solo taglio (leggero) | Chiodi, viti, supporti per travetti |
| Solo taglio (pesante) | Bulloni o tasselli con piastre in acciaio |
| Tensione assiale | Bulloni con piastre in acciaio o aste incollate |
| Compressione assiale | Cuscinetto (contatto diretto) con vincolo laterale |
| Momento | Gruppi di tasselli, grappoli di aste incollate |
| Combinato | Tasselli con piastre asolate (più versatili) |
Passaggio 3: dimensionamento preliminare
Utilizzare le tabelle delle capacità per stimare il numero e le dimensioni degli elementi di fissaggio richiesti. Consentire:
- Fattore di durata del carico (kmod): da 0,6 (permanente) a 1,1 (istantaneo)
- Coefficiente di sicurezza parziale (γM): 1,3 per le connessioni
- Fattore di classe di servizio: Classe 1 (asciutto), Classe 2 (moderato), Classe 3 (umido)
Passaggio 4: verifica la geometria
Verificare che lo schema di fissaggio richiesto si adatti alla sezione trasversale del legno disponibile:
- Distanze finali e distanze dai bordi soddisfatte
- Requisiti di spazio soddisfatti
- Nessun conflitto con altre connessioni o servizi
- Legno sufficiente rimanente dopo le fessure/fori per l'adeguatezza strutturale
Passaggio 5: dettagli per la fabbricazione
Produci i dettagli della connessione che mostrano:
- Tutte le dimensioni e tolleranze
- Tipo, dimensione, grado e quantità di elementi di fissaggio
- Dimensioni, spessore, qualità e finitura della piastra in acciaio
- Dimensioni feritoia (per placche a scomparsa)
- Sequenza di montaggio
- Requisiti di protezione antincendio
Passaggio 6: specificare il controllo qualità
Definire i requisiti di ispezione e test:
- Valori di coppia per i bulloni
- Requisiti della prova di estrazione delle barre incollate
- Criteri di ispezione visiva
- Requisiti di documentazione
Best practice per i dettagli sulla connessione
Evitare la scissione
La suddivisione del legno è la modalità di interruzione della connessione più comune. Prevenirlo:
- Mantenimento delle distanze minime dalle estremità e dai bordi
- Preforatura per tutti gli elementi di fissaggio in legno duro e legno tenero denso
- Elementi di fissaggio sfalsati per evitare di caricare la stessa linea di grano
- Utilizzo di viti autofilettanti come rinforzo perpendicolare alle venature
- Specificare viti di rinforzo in corrispondenza di tacche e fori
Consentire il movimento
Il legno si restringe e si gonfia al variare del contenuto di umidità. Le connessioni devono soddisfare questo:
- Fori asolati per bulloni nella direzione perpendicolare alle venature
- Collegamenti flessibili tra legno e materiali rigidi (acciaio, calcestruzzo)
- Separazione tra legno e fonti di umidità (DPC alla base delle colonne)
- Tolleranza per il ritiro lungo la fibra dell'1% per il legname verde, 0,3% per quello essiccato in forno
Durabilità
Proteggere le connessioni dall'umidità e dalla corrosione:
- Viteria in acciaio inossidabile per classe d'uso 3 e superiore
- Piastre in acciaio zincato a caldo per collegamenti esterni (rivestimento minimo 85 μm)
- Percorsi di drenaggio per evitare ristagni d'acqua nei punti di connessione
- DPM o DPC tra legno e calcestruzzo/muratura
Risorse correlate
- Guida al legno strutturale — riferimento completo per le costruzioni in legno
- C24 Legname da costruzione strutturale — specifiche standard del legno strutturale
- Travi lamellari incollate BSH — legno ingegnerizzato per collegamenti di grandi luci
- Resistenza al fuoco del legno - principi di progettazione antincendio per strutture in legno